Laserforsker vil bygge synkrotron-anlæg i miniformat

Når forskere og virksomheder skal undersøge eller udvikle nye materialer til brug for alt fra nye solceller og batterier til personlig medicin og hospitalsskannere, anvender de blandt andet røntgen- og ultraviolet stråling og gennemfører målinger på et af de store synkrotronanlæg i Europa. Foruden rejsen kræver det en længere ansøgningsproces at få plads, så det er ikke noget, man bare gør.

Når forskere og firmaer vil udvikle udstyr og teknologier, der kan kontrollere forurening og fødevarekvalitet på afstand, skal de bruge kraftige midt-infrarøde lyskilder. De skal helst kun være på størrelse med en skotøjsæske, men samtidig skal de kunne dække et enormt bredt lysspektrum - ligesom solens - i hver enkelt lyspuls. Den type udstyr eksisterer ikke i dag. 

Professor på DTU Fotonik Ole Bang har imidlertid en ambition om at bygge netop sådan en facilitet i miniformat - en såkaldt ”Table-top radiation facility,” som består af lasere, og som kan stå i et laboratorium. Og med en Villum Investigator-bevilling på 30 mio. kr. er han et skridt nærmere på at kunne gøre sin vilde idé til virkelighed.

“Planen er at udvikle fire bredbåndslasere, såkaldte superkontinuum-lasere, som tilsammen dækker bølgelængdeområdet fra 15 mikrometer helt ned til 33 nanometer og med en lysstyrke, der er langt kraftigere end den, man finder i synkrotronerne i for eksempel Lund og Cern, som ellers er 50.000 gange større,” forklarer Ole.

Målet er at give forskere og virksomheder lettere adgang til at måle på materialer ved hjælp af stråling inden for netop det bølgelængdeområde, og det er således også Oles drøm på sigt at oprette en facilitet, hvor virksomheder og forskere vil kunne booke sig ind. Det mere langsigtede mål er at udvikle superkontinuum-laserne, der er små og robuste nok til at kunne sidde i hospitalsudstyr til at detektere kræft, eller i droner eller helikoptere, der måler forurening.

”Men der skal en hel del forskning til for at nå derhen. Det kræver bl.a., at vi udvikler nye typer af optiske fibre på størrelse med et menneskehår, der kan lede lys med både ultrakorte og ultralange bølgelængder. Samtidig skal vi udvikle ny laserteknologi og finde ud af, hvordan vi kan kontrollere den voldsomme superkontinuum-proces. Sidstnævnte bliver en stor forskningsmæssig udfordring,” fortæller Ole.

Der vil være et stort fokus på at udvikle nye materialer og på design af nye fibre til lasere, som skal indeholde strålingen, hvilket alt sammen skal udvikles i dedikerede renrumslaboratorier på DTU Fotonik.

Det er med andre ord en meget ambitiøs vision, som Ole Bang har, og projektet kommer til at involvere syv ph.d.-studerende og fire postdocs hen over de næste seks år.  

_{Professor Ole Bang i laboratoriet sammen med ph.d. Rasmus E. Hansen og forsker Christian Rosenberg Petersen. Foto: Jesper Scheel.}

Vil slå nuværende verdensrekorder
Hvis det skal lykkes Ole og hans forskerteam at nå målet, skal de undervejs slå to forskellige rekorder.

“Den ene handler om, at nye optiske fibre, som kan transportere lys i det midt-infrarøde spektrum, skal udvikles af såkaldt bløde glasser, der smelter ved meget lavere temperaturer end normalt glas. Det skal hjælpe os til at slå rekorden og holde lyset samlet i en koncentreret stråle helt ud til de forudsagte 15 mikrometer.”

”Derudover skal vi udvikle fiberbaserede lasere, hvor fibrene har en meget speciel struktur rundt omkring en hul kerne, der kan indeholde en ædelgas ved højt tryk. Man skal forestille sig et hult hår, som indeholder en gas ved 50 bar. Ved at pumpe sådan en fiber med kraftige og korte lyspulser ioniserer vi gassen, som derved kan danne lys ned til 100 nanometer. For at nå det sidste stykke ned til 33 nanometer vil vi bryde med traditionel tænkning og udvikle en speciel metamaterialeoverflade, der sættes på enden af fiberen og danner lys ved en bølgelængde, der er tre gange kortere end det lys, der kommer ind. Dette bliver virkelig en stor, men enormt spændende udfordring,” lyder det fra Ole.